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第19章 累积损伤与失效

19.2 金属塑性材料的损伤与失效

19.2.1 金属塑性材料损伤与失效概论 19.2.2 金属塑性材料的初始损伤

19.2.3 金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除

19.2.1 金属塑性材料损伤与失效概论

产品：Abaqus/Explicit Abaqus/CAE 参考：

? 累积损伤与失效，19.1.1节

? 金属塑性材料的初始损伤，19.2.2节

? 金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除，19.2.3 ? DAMAGE INITIATION ? DAMAGE EVOLUTION

? 损伤的定义，Abaqus/CAE使用手册（网络HTML译本）12.8.3节 概论

Abaqus/Explicit拥有建立金属塑性材料损伤与失效的模型的功能。在大多数情况下，此模型需要以下说明：

? 未损伤情况下材料的弹塑性响应（“典型金属塑性”,18.2.1节） ? 损伤初始阶段标准（“塑性金属的损伤萌生,” 第 19.2.2节)

? 损伤发展变化规律，包括单元移除的选择性（“塑性金属的损伤演化与单元

移除,” 第 19.2.3节)

在19.1.1节“累积损伤与失效”中已经给出了Abaqus中累积损伤与失效通用框架的概要。本节将给出金属塑性材料的损伤初始阶段和损伤发展变化规律的概论。另外，Abaqus/Explicit提供了适用于高应变率动力学问题的动态失效模型。（“动态失效模型”，18.2.8节） 损伤产生的判断准则

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第19章 累积损伤与失效

Abaqus/Explicit提供多种金属塑性材料产生损伤时的判断标准，每一个都与材料失效的不同类型有关。判断准则可以分为以下类别：

? 金属材料损伤破坏产生的断裂准则，包括塑性和剪切标准。

? 金属片的损伤破坏的颈缩失稳准则，包括用于板料成形性能评估的成形极限

图（FLD,FLSD和MSFLD）和考虑了变形历史的，用于定量预测钣金不稳定性的Marciniak-Kuczynski (M-K)标准。

这些准则将在19.2.2节“金属塑性材料损伤破坏的产生”中介绍。每一个损伤破坏产生准则都有对应变化的输出来显示在分析过程中是否达到了此标准。一个大于或等于1.0的值表明已经达到此发生准则。

对一种给定材料可以规定不只一种损伤破坏准则。如果对同一种材料规定多种损伤破坏准则，那么这些准则是相互独立的。一旦达到了某个损伤产生准则，材料刚度就会按照此准则规定的损伤发展规律逐渐衰减，但是若没有规定损伤发展规律，材料刚度则不衰减。没有规定损伤发展规律的失效机制被认为是无效的。Abaqus/Explicit将会计算仅用于输出的无效机制中的损伤发生标准，但是此机制对材料响应没有影响。

输入文件的使用：使用下面选项定义每个损伤破坏产生的准则（可以重复使用定义多个准则）

*DAMAGE INITIATION, CRITERION=criterion 1

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals→criterion 材料损伤演化规律

材料损伤演化规律描述了当达到相应的损伤破坏产生准则时材料刚度的衰减速度。对于金属塑性材料的损伤破坏，Abaqus/Explicit假定与每一个有效失效机制相关的材料刚度的衰减可以用标量损伤变量di（i?Nact）来建模,Nact代表一系列有效的失效机制。在分析中的任何时刻，材料的应力张量都用标量损伤方程式表示。

式中D为全局损伤变量，?表示在没有损伤的情况下计算出的应力张量，也就是在没有损伤情况下材料内存在的应力。当D=1时材料就失去了承受载荷的

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?第19章 累积损伤与失效

能力。默认情况下，当任何一处集成位置的剖分点失去其承受载荷的能力时，一个单元会从网格中移除。

全局损伤变量D受到所有有效机制的联合影响，并根据设置规则，依据独立损伤变量

di来计算。

Abaqus支持塑性金属材料不同损伤演化规律的模型，并提供对于因材料失效导致的单元移除的控制，如 “Damage evolution and element removal for ductile metals,” 中19.2.3节所述。所有可以使用的模型都旨在缓解损伤累积过程中由于局部应力引起的计算结果的强烈网格依赖性。

输入文件的使用：在*DAMAGE INITIATION语句后面使用以下的语句来定义损伤演化规律： *DAMAGE EVOLUTION

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals → criterion: Suboptions → Damage Evolution

单元

在Abaqus/Explicit中，金属塑性材料失效建模功能可以用于所有的单元，包括有平动自由度的机械行为单元。

对于温度和位移耦合单元，材料的热特性是不受材料刚度累积损伤影响的，除非单元移除的情况出现，此时单元热学特性的影响也被删除。

金属片的损伤破坏的颈缩失稳准则（FLD、FLSD、MSFLD和M-K）只适用于有机械行为并使用平面应力计算公式（平面应力单元、壳单元、连续壳体、膜单元）的单元。

19.2.2 金属塑性材料损伤初始阶段

产品：Abaqus/Explicit Abaqus/CAE 参考：

? 累积损伤与失效，19.1.1节 ? DAMAGE INITIATION

? 损伤的定义，Abaqus/CAE使用手册（网络HTML译本）12.8.3节 概论

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第19章 累积损伤与失效

金属塑性材料损伤破坏萌生阶段建模功能：

? 用来预测金属材料损伤开始，包括冲、挤压和铸造的金属等材料。 ? 如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,” 中所述，与塑性金属材料的

损伤演化规律模型联合使用。 ? 允许多个损伤破坏产生准则的定义。

? 包括塑性准则、剪切准则、成形极限图（FLD）、成形极限压力图(FLSD)，

MSFLD和M-K等损伤产生的准则。

? 可以与Mises和Johnson-Cook塑性本构(塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD

和M-K)一起使用。

? 可以与Hill和Drucker-Prager塑性本构（塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD）

一起使用。

金属材料损伤破坏产生的断裂准则

导致金属塑性材料断裂的两个主要机制：由节点的集中，增长与接合导致韧性断裂；由局部剪切带引起的剪切断裂。基于现象学观测基础，这两个机制要求不同形式的损伤破坏发生准则（Hooputra et al., 2004）。Abaqus/Explicit支持的这些准则的功能形式将在下面讨论。如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,” 中所述，这些准则可以与塑性金属材料的损伤演化规律模型联合使用进行金属塑性材料断裂模型的建立。（参照Abaqus手册中2.1.16节，例子“Progressive failure analysis of thin-wall aluminum extrusion under quasi-static and dynamic loads。” ） 塑性准则

塑性准则是用来预测由节点的集中，增长与接合导致的损伤开始发生的现象学模型。模型中假定损伤开始时的等效塑性应变?D是关于三维应力和应变率的函数: ?D(?,?)

pl式中???p/q是应力三轴度，p是指压应力，q是Mises等效应力，?D是等效

??pl?.?plpl塑性应变率。当下面的情况成立时就达到了损伤开始发生的准则：

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第19章 累积损伤与失效

式中wD是随着塑性变形增加而单调递增的状态变量。分析过程中的每一次递增，增加量?wD是按以下式子计算的：

塑性准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一起使用，包括状态方程。

输入文件的使用：应用下列选项作为一个列表功能来指定损伤开始时的等效塑性应变，列表中包括应力三轴度、应变速率和可选择性的加入温度和预定义的场变量。

*DAMAGEINITIATION,CRITERION=DUCTILE,DEPENDENCIES=n

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals→Ductile Damage

Johnson-Cook准则

Johnson-Cook准则是塑性判据的一种特殊情况，其中损伤开始时的等效塑性应变?D有以下形式：

?pl

式中d1?d5是失效参数，?0是参考应变率，?为无量纲温度，其定义为：

.?

式中?为当前温度，?melt为熔解温度，?transition是转变温度，等于或低于转变温度时就不再有依赖损伤应变?D的温度。材料参数必须在等于或者低于转变温度的

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?pl